EP4436734A1 - Verfahren zum herstellen eines bauteils und entsprechend hergestelltes bauteil - Google Patents

Verfahren zum herstellen eines bauteils und entsprechend hergestelltes bauteil

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EP4436734A1
EP4436734A1 EP22821849.1A EP22821849A EP4436734A1 EP 4436734 A1 EP4436734 A1 EP 4436734A1 EP 22821849 A EP22821849 A EP 22821849A EP 4436734 A1 EP4436734 A1 EP 4436734A1
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EP
European Patent Office
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component
supplementary
additive manufacturing
basic structure
shape
Prior art date
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Pending
Application number
EP22821849.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Karlmann Kanzler
Georg Wimmer
Christian Michael HERWERTH
Felix ARMBRÜSTER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP4436734A1 publication Critical patent/EP4436734A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a component for a technical device and a component for a technical device.
  • a position of the highest load on the component can be assumed, for example.
  • the wall thickness of the component at this position can be selected in such a way that the wall can withstand the high loads there. In conventional manufacturing processes, this position with the highest loads defines the wall thickness of the entire component.
  • WO 2022/073640 A1 proposes providing a prefabricated component for a motor vehicle with additively manufactured reinforcement structures at certain points and in this way preventing or redirecting deformation in the event of an accident.
  • WO 2017/021440 A1 also proposes the additive application of reinforcement structures to a prefabricated component, with the component being held in a mold in order to prevent deformation during additive reinforcement.
  • the production of a component by means of purely additive manufacturing is known, for example, from US Pat. No. 11,022,967 B2.
  • a basic structure can be provided for the production of a component and supplemented by a supplementary structure by means of additive manufacturing.
  • the supplementary structure is applied to the basic structure by means of additive manufacturing and is connected to it with a material bond.
  • the present invention sets itself the task of improving the production of components, which is carried out in a corresponding manner, in part, by means of additive manufacturing.
  • the present invention proposes a method for producing a component for a technical device and a component for a technical device with the features of the independent patent claims. Configurations are the subject matter of the dependent patent claims and the following description.
  • the invention is now based on the finding that corresponding post-treatment can be avoided if the deformation caused by additive manufacturing is predicted and a form of the component present before additive manufacturing is carried out, hereinafter also referred to as the initial form, and the manner of the additive manufacturing in such a way that the component has the target shape after additive manufacturing.
  • the component provided with the supplementary structure and with the target shape, ie in particular without further deformation of the component, can then be installed in an arrangement of which the component becomes part.
  • An embodiment of the invention therefore also includes production of an arrangement using the component.
  • deformation of a component is therefore explicitly permitted in additive manufacturing and not minimized or prevented in a costly manner.
  • the deformation is thus an integral part of the manufacturing process to achieve the desired final shape.
  • the invention proposes a method for producing a component for a technical device, which has a basic structure and one or more supplementary structures.
  • the one or more supplementary structures is or are applied to the basic structure by means of additive manufacturing and the basic structure is subjected to deformation during additive manufacturing.
  • the basic structure is provided with an initial shape which is selected in such a way that the deformation leads to a desired target shape of the basic structure.
  • the deformation can in particular be a stress deformation caused by thermal stresses during additive manufacturing.
  • a basic structure of the component (the singular is used below merely for the sake of simplicity, although the corresponding explanations also relate to components that are present in a plurality) can be manufactured with a predetermined wall thickness.
  • At least one area of the component expediently at least one area to be reinforced, can be determined or identified or localized with the aid of an optimization method.
  • a reinforcement structure can be applied to the base structure by means of an additive manufacturing process.
  • this reinforcement structure is a supplementary structure because it supplements the basic structure accordingly.
  • a (stress) deformation caused by the additive manufacturing process can be influenced in the desired way by a (further) supplementary structure.
  • the latter which does not have or need to have a reinforcing effect per se, is a structure that only serves to compensate for deformations. It is also referred to below as the compensation structure. As mentioned, all of the elements can be present in plural form, but are described below in a simplified manner in the singular.
  • the basic structure expediently represents a basic volume or a first volume of material.
  • the reinforcement structure represents in particular an additional volume or a second volume of material.
  • the compensation structure represents in particular a further additional volume or a third volume of material. The entire component or an overall volume of the component is thus formed by the basic structure or the basic volume and the reinforcing structure applied thereto and the compensating structure or their additional volumes.
  • the basic structure is or is produced non-additively, with the proposed method being able to include the production of the basic structure. It can be produced, for example, by means of a manufacturing process by archetypes or reshaping. According to the usual expert understanding, archetypes are understood here to mean a group of manufacturing processes in which a solid body is produced from an amorphous substance, which body has a geometrically defined shape. Primitive Forming is used to create the initial form of a solid body and to create the cohesion of matter.
  • the primary shaping can be carried out from the liquid or plastic state, in particular by a casting process such as gravity, pressure, low-pressure, centrifugal or continuous casting, or by compression or drawing molding. Forming can in particular be hot or cold forming or sheet metal or solid forming or compression, tension compression, bending or include thrust forms.
  • the present invention is not limited to a specific non-additive manufacturing process.
  • a corresponding manufacturing process is non-additive in particular if there is no step-by-step application of material, for example in more than 2, 3, 4, 5 or 10 steps, but the production is carried out in particular by providing a final shape that is essentially already desired (or a present form) having component or sub-component, but the sequencing of process steps such as primary and subsequent forming or the joining of different, corresponding workpieces, for example by welding or pressing, is not excluded.
  • a non-additive manufacturing process is carried out in several layers without melt or powder application.
  • an entire wall that defines the component can be produced in one piece.
  • individual partial walls can also be manufactured separately, e.g. by means of such manufacturing processes as primary shaping or forming, and combined to form the overall wall of the component, e.g. by means of a joining process, such as a welding process.
  • the wall thickness of the basic structure can be specified as the smallest possible, in particular minimal wall thickness, which is expediently designed for a low load acting on the component or which the basic structure requires at least in order to be able to withstand the loads acting on it.
  • the basic structure is then specifically reinforced at points with higher loads by the reinforcement structure, so that the component can also withstand the higher loads acting there at these points.
  • the reinforcement structure can thus be applied specifically to particularly stressed positions of the component and the component can be individually adapted to the load case at hand.
  • the compensating structure only serves to compensate for deformations, but does not necessarily provide a strengthening effect.
  • a plurality of supplementary structures can be added to the basic structure by means of additive manufacturing be applied, wherein the multiple supplementary structures comprise one or more reinforcement structures and one or more compensating structures, wherein, as mentioned, the reinforcing structures are in particular supplementary structures that increase the stability of the component at one or more points, and the compensating structures in particular are not necessarily supplementary structures that increase stability but cause desired deformation represent.
  • the reinforcement structures are therefore applied on the basis of a specified strength of the component and the compensating structures are applied on the basis of a deformation forecast.
  • first and “second” supplementary structures are used more generally.
  • additive manufacturing makes it possible to apply the reinforcement structure or a first supplementary structure and the compensation structure or a second supplementary structure with pinpoint accuracy and thus to produce precise local reinforcements of the basic structure and influences on the deformation.
  • Additive manufacturing is a manufacturing process in which a three-dimensional object or structure is created by consecutively adding a material layer by layer. A new layer of material is applied one after the other, solidified and firmly bonded to the layers below, e.g. with the help of a laser, electron beam or arc.
  • the areas or locations at which the reinforcement structure or first supplementary structure or the compensating structure or second supplementary structure is to be applied to the basic structure can be determined or identified or localized within the scope of the present method using the optimization method or a corresponding optimization algorithm.
  • Optimization methods or optimization are generally to be understood as meaning analytical or numerical calculation methods in order to find optimized, in particular minimized or maximized, parameters of a complex system.
  • the deformation can be forecast using a forecasting method while obtaining forecast data, and material can be applied in additive manufacturing on the basis of the forecast data.
  • the invention allows a particularly targeted, precise application of material.
  • the forecasting method can in particular include the use of a finite element method and/or an optimization algorithm. Corresponding methods can also be carried out to determine the material application required for the reinforcement structure.
  • a solution space Q ie a set of possible solutions or variables x and a target function f
  • a set of values for the variables or solutions x e Q is sought, so that f(x) satisfies a predetermined criterion, for example becoming a maximum or a minimum.
  • boundary or secondary conditions can also be specified, with admissible solutions x having to fulfill these specified boundary conditions.
  • a target function can be defined such that the overall wall thickness of the component is minimized as much as possible.
  • the optimization method can be carried out particularly expediently as a function of a numerical solution, in particular using the finite element method mentioned.
  • the finite element method is a numerical method based on the numerical solution of a complex system of partial differential equations.
  • the basic structure or another component is divided into a finite number of sub-areas of a simple form, i.e. into finite elements whose physical or thermo-hydraulic behavior can be calculated on the basis of their simple geometry.
  • the partial differential equations are replaced by simple differential equations or by algebraic equations.
  • the system of equations thus obtained is solved to obtain an approximate solution of the partial differential equations.
  • the physical behavior of the body as a whole is simulated by predetermined continuity conditions during the transition from one element to the neighboring element.
  • Such a finite element method is particularly advantageous for carrying out an optimization method.
  • the optimization method is carried out as a function of a simulation of the basic structure and additive manufacturing, in particular a numerical simulation.
  • a static or dynamic simulation can be carried out, for example a thermo-mechanical strength simulation.
  • the component or the entire technical device together with the component can be theoretically reproduced. The behavior of the part during additive manufacturing as well as the stresses, loads, etc. acting on the part can be simulated.
  • the quantities and positions of the material applied as a compensation structure can be changed in the course of the simulation in order to examine the behavior of the component under different conditions.
  • the component can thus be divided into a large number of individual areas as part of the optimization process, and it can be determined individually for these areas whether material should be applied in these areas by means of additive manufacturing.
  • the present method provides an advantageous possibility for producing a partially additively manufactured component.
  • the basic structure can be manufactured non-additively in a cost-effective and material-saving manner.
  • the use of the additive manufacturing process can be reduced, so that costs and material can also be saved here.
  • the component can be manufactured in a cost-effective, material-saving and weight-reduced manner and can be optimally adapted to the later application and its area of application.
  • the reinforcement structure or at least one of the plurality of reinforcement structures and the compensation structure or at least one of the plurality of compensation structures or, in other words, the first supplementary structure(s) and the second supplementary structure(s), by means of additive manufacturing can be applied at the same time or at different times.
  • the deformation can be determined and the application of the compensation structure or at least one of the several compensation structures, i.e. the second supplementary structure(s) dependent be carried out by this. This makes it possible to react precisely to the deformations that actually occur.
  • the supplementary structure(s) is/are applied to the basic structure by means of wire arc additive manufacturing (WAAM).
  • WAAM wire arc additive manufacturing
  • individual layers are created using a melting wire and an arc.
  • Welding torches for example for gas metal arc welding, can be used for this purpose, with an arc burning between the welding torch and the component to be produced.
  • a corresponding material e.g. in the form of a wire or strip, is continuously fed and melted by the arc.
  • molten drops are formed, which transfer to the workpiece to be manufactured and are firmly connected to it.
  • the respective material can be fed to the welding torch as a consumable wire electrode, for example, with the arc burning between this wire electrode and the component. It is also conceivable to supply the respective material in the form of an additional wire, which is melted by the arc of the welding torch.
  • additive manufacturing methods can be used, in the course of which the respective material of the support structure or the additional volume is applied, for example in powder form or in the form of wires or strips, and exposed to a laser and/or electron beam.
  • the respective material can be subjected to a sintering or melting process, for example, in order to be solidified.
  • the next layer can be created in an analogous manner.
  • additive manufacturing processes are, for example, selective laser sintering (SLS), selective laser melting (SLM), electron beam melting (EBM), stereolithography (SL) or fusion layering ( Fused Deposition Modeling (FDM) or Fused Filament Fabrication (FFF).
  • the support structure can preferably be produced by means of cold spraying or cold gas spraying.
  • Cold Spray, CS can be applied to the base structure.
  • the respective material is applied, for example in powder form, at high speed.
  • a process gas such as nitrogen or helium that has been heated to a few hundred degrees can be accelerated to supersonic speed, for example by expansion.
  • the powder particles of the respective material can be injected into the gas jet so that they are accelerated to high speed and form a firmly adhering layer when they hit the base structure.
  • the basic structure, the reinforcement structure and the compensating structure can be manufactured from the same material, for example from aluminum or an aluminum alloy. Furthermore, the basic structure, the reinforcement structure and the compensating structure (or part two of these components) can also be made from different materials.
  • the materials for the basic structure, the reinforcement structure and the compensating structure can each be selected based on their specific material properties and/or based on specific requirements for the component or based on the specific loads and deformations acting on the component.
  • the basic structure, the reinforcement structure and the compensating structure can be made from similar or dissimilar materials, in particular from aluminum materials or aluminum alloys.
  • similar or “identical” materials are to be understood in particular as materials that have the same or comparable structure and/or the same or comparable thermal expansion, which is not the case with “dissimilar” or “dissimilar” materials.
  • Similar types are, for example, different carbon steels. Carbon steel and stainless steel, for example, are dissimilar due to the different material structure (microstructure and thermal expansion). Similar materials can also be understood to mean different aluminum alloys, which lead to large differences in mechanical and thermal parameters due to the variety of possible alloys.
  • connection of an aluminum material with a (stainless) steel material can be dissimilar, which is "not compatible" in the common understanding.
  • a material of the supplementary structure, in particular of the compensating structure can be a material with known or particularly advantageous deformation properties.
  • the component is a component of a process engineering apparatus, a pressure vessel or a lightweight component of a land vehicle or aircraft.
  • the present invention is suitable for a large number of different areas of application and for the production of components for various technical devices in process, regulation and/or control technology.
  • a technical device is to be understood in particular as a unit or a system of different units for executing a technical process, in particular a procedural, regulation and/or control engineering process.
  • the technical device can advantageously be designed as a machine, ie in particular as a device for converting energy or force, and/or as an apparatus, ie in particular a device for converting substance or matter.
  • the technical device can also be designed in particular as a plant, ie in particular as a system made up of a large number of components, which can each be machines and/or apparatuses, for example.
  • the component is a component through which fluid flows or through which fluid can flow for a process engineering device.
  • the component is a component for a pressure vessel or a pressure vessel itself.
  • a pressure vessel can be provided in particular for storing a substance under positive or negative internal or external pressure.
  • Pressure vessels can be exposed to high alternating pressure loads.
  • configurations of the present invention are not limited to use in corresponding technical areas, but are generally used in the manufacture of other components, in particular structural components, for example in apparatus and container construction, but also in other areas in which additive manufacturing is used, e.g. for lightweight construction in aircraft or vehicle construction.
  • the component is a header with nozzle of a plate fin heat exchanger (PFHE), for example a brazed aluminum plate fin heat exchanger (Brazed Aluminum Plate-Fin Heat Exchangers, PFHE; designations according to the German and English edition of ISO 15547-2:3005).
  • PFHE plate fin heat exchanger
  • Plate heat exchangers of this type have a large number of separating plates and fins arranged in a stack, as well as cover plates, edge strips or sidebars, distributors or headers.
  • pieces of pipe or pipelines are provided for supplying and removing individual media. Such elements can be exposed to high loads during operation of the heat exchanger, e.g. high temperatures or temperature differences as well as high pressures and mechanical stresses, and are therefore particularly suitable for being produced using the present method.
  • the basic shape can in particular be a non-complex shape that is easy to produce, which is selected in particular from a cylindrical shape, a spherical shape, a hemispherical shape, a spherical shape, a plate shape and partial shapes thereof.
  • the production is particularly simple due to the combined production.
  • the basic shape can in particular also be selected from a round or polygonal tube or a full profile, which can be deformed in a targeted manner by applying a corresponding material.
  • a component for a technical device that has a basic structure and one or more supplementary structures, the basic structure being manufactured non-additively and the one or more supplementary structures being applied to the basic structure by means of additive manufacturing and the basic structure being subjected to deformation during additive manufacturing also subject of the present invention.
  • the basic structure was provided with an initial shape that was chosen in such a way that the deformation led to a desired target shape of the basic structure.
  • the supplemental structures include one or more reinforcement structures and one or more balancing structures.
  • the present invention also relates to a component for a technical device, which in particular is made according to the present method. Configurations of this component according to the invention result from the above description of the method according to the invention in an analogous manner.
  • FIG. 1 shows a heat exchanger in a simplified isometric representation.
  • FIGS 2A through 2C illustrate aspects of the present invention.
  • a heat exchanger is shown schematically in FIG.
  • the heat exchanger represents a technical or procedural device, wherein individual elements or components of the heat exchanger 100, in particular through which fluid flows, in particular its header 7 and socket 6, are particularly advantageously manufactured according to an embodiment of the invention.
  • the heat exchanger 100 shown in FIG. 1 is a brazed aluminum plate-fin heat exchanger (PFHE; designations according to the German and English editions of ISO 15547-2:3005). how it can be used in a variety of systems at different pressures and temperatures.
  • Corresponding heat exchangers are used, for example, in the low-temperature separation of air, in the liquefaction of natural gas or in plants for the production of ethylene.
  • aluminum can also refer to an aluminum alloy.
  • Brazed fin-plate heat exchangers made of aluminum are shown in Figure 2 of the mentioned ISO 15547-2:3005 and on page 5 of the publication "The Standards of the Brazed Aluminum Plate-Fin Heat Exchanger Manufacturers' Association” by ALPEMA, 3rd edition 2010. shown and described.
  • the present figure 1 essentially corresponds to the illustrations of said ISO standard and is to be explained below in order to explain the background of the invention.
  • the plate heat exchanger 100 shown partially open in Figure 1 is used for the heat exchange of five different process media A to E in the example shown.
  • the plate heat exchanger 100 comprises a large number of separating plates 4 arranged parallel to one another (in the publications mentioned above , to which the following information in brackets also refers, referred to in English as parting sheets), between which heat exchange passages 1 are defined by structured sheets with lamellae 3 (fins) for one of the process media A to E, which can thus exchange heat with one another, are trained.
  • the structural sheets with the lamellae 3 are typically folded or corrugated, flow channels being formed by the folds or corrugations, as also shown in FIG. 1 of ISO 15547-2:3005.
  • the provision of the structured plates with lamellae 3 offers the advantage of improved heat transfer, more targeted fluid guidance and an increase in the mechanical (tensile) strength.
  • the process media A to E flow separately from one another, in particular through the separating plates 4, but can optionally pass through the latter in the case of perforated structured plates with lamellae 3.
  • the individual passages 1 or the structured metal sheets with the lamellae 3 are each surrounded laterally by so-called sidebars 8, which, however, leave feed and removal openings 9 free.
  • the sidebars 8 keep the separating plates 4 at a distance and ensure mechanical reinforcement of the pressure chamber.
  • Reinforced cover plates 5 (cap sheets), which are arranged parallel to the separating plates 4, serve to close off at least two sides.
  • headers 7 which are provided with nozzles 6 (nozzles)
  • the process media A to E are supplied and discharged via feed and removal openings 9.
  • distributor fins 2 distributed fins
  • distributer lamellae 2 which guide the process media A to E from the passages 1 into the header 7 where they are collected and drawn off via the corresponding nozzles 6 .
  • the structured metal sheets with the lamellae 3, the further structured metal sheets with the distributor lamellas 2, the sidebars 8, the separating sheets 4 and the cover sheets 5 form a cuboid heat exchanger block 20 overall, with the term "heat exchanger block” being used here to describe the elements mentioned without the headers 7 and nozzle 6 are to be understood in a connected state.
  • the plate heat exchanger 100 can be formed from a plurality of corresponding cuboid heat exchanger blocks 20 connected to one another, in particular for manufacturing reasons.
  • Corresponding plate heat exchangers 100 are brazed from aluminum.
  • the individual passages 1, comprising the structural sheets with the lamellae 3, the other structural sheets with the distributor slats 2, the cover sheets 5 and the sidebars 8 are each provided with solder, stacked on top of one another or arranged accordingly and heated in an oven.
  • the header 7 and the socket 6 are welded onto the heat exchanger block 20 produced in this way.
  • the headers 7 are manufactured using, for example, semi-cylindrical extrusions cut to the required length brought and then welded onto the heat exchanger block 20.
  • the headers 7 are often manufactured with a constant wall thickness, with this wall thickness being based on the position of the highest utilization.
  • the present method makes it possible, for example, to produce headers 7 with sockets 6 in a cost-effective and material-saving manner, in particular with a varying wall thickness which is specifically adapted to the individually present load case. This is done by partially additive manufacturing, with deformations being compensated for in a particularly advantageous manner, as explained below.
  • FIGS. 2A to 2C illustrate aspects of the present invention, a header with socket 6, as designated by 7 above, being illustrated in each case.
  • At least one section of the header is in the form of a semi-circular tube.
  • this section can be produced with a constant wall thickness and from the same material throughout.
  • a piece of pipe that forms the socket 6 is, in the language used here, a basic structure which, as mentioned, according to embodiments of the invention must also be another component.
  • Supplementary structures in the form of reinforcement structures 6.1 are applied to the basic structure, that is to say the header 6 in the present example, by means of an additive manufacturing process.
  • the header 7 itself is also provided with appropriate reinforcement structures 7.1 in order to stabilize it.
  • FIGS. 2A and 2B illustrate, in particular, different stages of a multi-stage manufacturing process.
  • additional supplementary structures are applied in the form of compensation structures 6.2 described above, which also cause deformation.
  • the type, location and material of the compensating structures 6.2 are selected in such a way that their application compensates for the deformation caused by the application of the reinforcing structures 6.1 and a target shape is achieved.
  • compensating structures 6.2 can be provided by means of additive manufacturing on the outer circumference of the basic structure, ie the socket 6, and in its interior, designated 6.3 here.
  • FIG. 2C shows a view from above onto or into the socket 6.

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Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils für eine technische Vorrichtung (100), das eine Grundstruktur (6) und eine oder mehrere Ergänzungsstrukturen (6.1-6.3) aufweist, wird vorgeschlagen. Die Grundstruktur (6) wird nichtadditiv hergestellt und die eine oder die mehreren Ergänzungsstrukturen (6.1-6.3) wird oder werden mittels additiver Fertigung auf die Grundstruktur (6) aufgebracht und die Grundstruktur (6) wird bei der additiven Fertigung einer Verformung unterworfen. Die Grundstruktur (6) wird mit einer Ausgangsform bereitgestellt, die derart gewählt ist, dass die Verformung zu einer gewünschten Zielform der Grundstruktur (6) führt. Ein entsprechendes Bauteil ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Herstellen eines Bauteils und entsprechend hergestelltes Bauteil
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils für eine technische Vorrichtung sowie ein Bauteil für eine technische Vorrichtung.
Hintergrund
Technische Vorrichtungen wie Maschinen, Apparate oder Anlagen, bzw. deren einzelne Bauteile, sind im laufenden Betrieb oftmals hohen Belastungen ausgesetzt. So können beispielsweise in fluiddurchströmten Bauteilen einer verfahrenstechnischen Vorrichtung aufgrund der durch das Bauteil geleiteten Fluide hohe Belastungen auftreten. Beispielsweise werden durch Header eines Wärmetauschers, z.B. eines gelöteten Rippen-Platten-Wärmetauschers, Prozessmedien zum Durchführen eines Wärmetauschs zu- und abgeführt. Derartige Bauteile bzw. deren Wandungen müssen daher oftmals hohen Drücken, Spannungen und weiteren Belastungen standhalten. Beispielsweise können auch die Wandungen von Druckbehältern derartigen hohen Belastungen ausgesetzt sein, beispielsweise in Behältern zum Speichern von Stoffen unter positivem oder negativem Außen- oder Innendruck.
Zur Dimensionierung derartiger Bauteile kann beispielsweise von einer Position der höchsten Belastung des Bauteils ausgegangen werden. Die Wandstärke des Bauteils an dieser Position kann derart gewählt werden, dass die Wand den dortigen hohen Belastungen standhalten kann. In herkömmlichen Fertigungsverfahren definiert diese Position mit den höchsten Belastungen die Wandstärke des gesamten Bauteils.
Es ist aber auch möglich, eine einfache Grundstruktur eines Bauteils mit einer minimal erforderlichen Wandstärke herzustellen und diese Grundstruktur an bestimmten Positionen, die erhöhten mechanischen Spannungen ausgesetzt sind, durch Aufbringen von Material mittels additiver Fertigung gezielt zu verstärken bzw. zu versteifen. Entsprechendes ist in der WO 2022/073640 A1 der Anmelderin offenbart. Die zu verstärkenden Bereiche bzw. Positionen können durch ein Optimierungsverfahren bzw. einen Optimierungsalgorithmus bestimmt werden. In der WO 2016/001360 A1 wird vorgeschlagen, ein vorgefertigtes Bauteil für ein Kraftfahrzeug an bestimmten Stellen mit additiv gefertigten Verstärkungsstrukturen zu versehen und auf diese Weise eine Verformung bei einem Unfall zu verhindern oder umzulenken. Die WO 2017/021440 A1 schlägt ebenfalls die additive Aufbringung von Verstärkungsstrukturen auf ein vorgefertigtes Bauteil vor, wobei das Bauteil in einer Form gehalten wird, um eine Verformung bei der additiven Vertigung zu verhindern. Die Herstellung eines Bauteils mittels rein additiver Fertigung ist dagegen beispielsweise aus der US 11 ,022,967 B2 bekannt.
Mit anderen Worten kann zur Herstellung eines Bauteils eine Grundstruktur bereitgestellt und mittels additiver Fertigung um eine Ergänzungsstruktur ergänzt werden. Die Ergänzungsstruktur wird mittels der additiven Fertigung auf die Grundstruktur aufgebracht und dabei stoffschlüssig mit dieser verbunden.
Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, die Herstellung von Bauteilen, die in entsprechender Weise teilweise mittels additiver Fertigung erfolgt, zu verbessern.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils für eine technische Vorrichtung sowie ein Bauteil für eine technische Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der nachfolgenden Beschreibung.
Bei der Herstellung eines Bauteils in der eingangs erläuterten Weise, d.h. in einem Verfahren, bei dem eine Grundstruktur bereitgestellt und mittels additiver Fertigung um eine Ergänzungsstruktur ergänzt wird, und bei dem die Ergänzungsstruktur mittels additiver Fertigung auf die Grundstruktur aufgebracht und dabei stoffschlüssig mit der Grundstruktur verbunden wird, können durch die additive Fertigung (insbesondere bei Verfahren, bei denen ein Wärmeeintrag in die Grundstruktur erfolgt, wie z.B. bei Auftragsschweißverfahren) Verformungen im Material auftreten, die im Anschluss an die additive Fertigung eine aufwendige Nachbehandlung erfordern, um eine Zielform zu erreichen bzw. die Verformungen auszugleichen. Die Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, dass sich entsprechende Nachbehandlung vermeiden lässt, wenn man die durch die additive Fertigung bedingte Verformung prognostiziert und eine vor der Durchführung der additiven Fertigung vorliegende Form des Bauteils, nachfolgend auch als Ausgangsform bezeichnet, und die Art und Weise der additiven Fertigung derart wählt, dass das Bauteil nach der additiven Fertigung die Zielform aufweist. Das Bauteil kann dann, versehen mit der Ergänzungsstruktur und mit der Zielform, d.h. insbesondere ohne weitere Verformung des Bauteils, in einer Anordnung verbaut werden, deren Teil das Bauteil wird. Eine Ausgestaltung der Erfindung umfasst daher auch eine Herstellung einer Anordnung unter Verwendung des Bauteils.
Im Gegensatz zu Verfahren des Standes der Technik wird daher eine Verformung eines Bauteils bei der additiven Fertigung explizit zugelassen und nicht aufwendig minimiert oder verhindert. Die Verformung ist damit ein integraler Bestandteil des Fertigungsverfahrens, um die gewünschte Endform zu erreichen. Anders als beispielsweise in dem in der WO 2017/021440 A1 beschriebenen Verfahren ist daher eine Halterung in einer Form, die eine Verformung bei der additiven Fertigung verhindert, und die den beträchtlichen Verformungskräften standhalten und daher ausreichend stabil hergestellt werden muss, nicht erforderlich. Die Fertigung gestaltet sich insgesamt einfacher und kostengünstiger.
Die Erfindung schlägt insgesamt ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils für eine technische Vorrichtung, das eine Grundstruktur und eine oder mehrere Ergänzungsstrukturen aufweist, vor. Die eine oder die mehreren Ergänzungsstrukturen wird oder werden mittels additiver Fertigung auf die Grundstruktur aufgebracht und die Grundstruktur wird bei der additiven Fertigung einer Verformung unterworfen. Die Grundstruktur wird dabei mit einer Ausgangsform bereitgestellt, die derart gewählt ist, dass die Verformung zu einer gewünschten Zielform der Grundstruktur führt. Die Verformung kann insbesondere eine durch thermische Spannungen bei der additiven Fertigung bewirkte Spannungsverformung sein.
Im Rahmen des hier vorgeschlagenen Verfahrens kann eine Grundstruktur des Bauteils (nachfolgend wird lediglich der Einfachheit halber der Singular verwendet, wobei die entsprechenden Erläuterungen jedoch auch in Mehrzahl vorhandene Komponenten betreffen) mit einer vorgegebenen Wandstärke gefertigt werden. Wenigstens ein Bereich des Bauteils, zweckmäßigerweise wenigstens ein zu verstärkender Bereich, kann mit Hilfe eines Optimierungsverfahrens bestimmt bzw. identifiziert bzw. lokalisiert werden. In diesem wenigstens einen Bereich kann eine Verstärkungsstruktur mittels eines additiven Fertigungsverfahrens auf die Grundstruktur aufgebracht werden. Bei dieser Verstärkungsstruktur handelt es sich im nachfolgend verwendeten Sprachgebrauch, weil sie die Grundstruktur entsprechend ergänzt, um eine Ergänzungsstruktur. Eine durch das additive Fertigungsverfahren bedingte (Spannungs-)Verformung kann dabei durch eine (weitere) Ergänzungsstruktur in der gewünschten Weise beeinflusst werden. Bei letzterer, die an sich keine Verstärkungswirkung aufweist oder aufweisen muss, handelt es sich um eine Struktur, die lediglich dem Ausgleich von Verformungen dient. Sie wird nachfolgend auch als Ausgleichsstruktur bezeichnet. Wie erwähnt, können sämtliche Elemente in Mehrzahl vorhanden sein, werden aber nachfolgend vereinfacht in Einzahl beschrieben.
Die Grundstruktur stellt zweckmäßigerweise ein Grundvolumen bzw. ein erstes Materialvolumen dar. Die Verstärkungsstruktur stellt insbesondere ein Zusatzvolumen bzw. ein zweites Materialvolumen dar. Die Ausgleichsstruktur stellt insbesondere ein weiteres Zusatzvolumen bzw. ein drittes Materialvolumen dar. Das gesamte Bauteil bzw. ein Gesamtvolumen des Bauteils wird somit durch die Grundstruktur bzw. das Grundvolumen und die darauf aufgebrachte Verstärkungsstruktur und die Ausgleichsstruktur bzw. deren Zusatzvolumina gebildet.
Die Grundstruktur wird bzw. ist nichtadditiv gefertigt, wobei das vorgeschlagene Verfahren die Fertigung der Grundstruktur umfassen kann. Sie kann beispielsweise mittels eines Fertigungsverfahrens durch Urformen oder Umformen hergestellt werden. Dem üblichen fachmännischen Verständnis entsprechend wird unter Urformen hier eine Gruppe von Fertigungsverfahren verstanden, bei denen aus einem formlosen Stoff ein fester Körper hergestellt wird, der eine geometrisch definierte Form aufweist. Urformen wird genutzt, um die Erstform eines festen Körpers herzustellen und den Stoffzusammenhalt zu schaffen. Insbesondere kann das Urformen aus dem flüssigen oder plastischen Zustand erfolgen, insbesondere durch ein Gussverfahren wie Schwerkraft-, Druck-, Niederdruck-, Schleuder- oder Stranggießen, oder durch Pressoder Ziehformen. Ein Umformen kann insbesondere ein Warm- oder Kaltumformen bzw. Blech- oder Massivumformen bzw. ein Druck-, Zugdruck-, Biege- oder Schubumfomen umfassen. Die vorliegende Erfindung ist hierbei nicht auf ein bestimmtes nichtadditives Fertigungsverfahren eingeschränkt.
Nichtadditiv ist ein entsprechendes Fertigungsverfahren insbesondere dann, wenn hierbei kein schrittweiser Materialauftrag, beispielsweise in mehr als 2, 3, 4, 5 oder 10 Schritten, erfolgt, sondern die Fertigung insbesondere durch Bereitstellen einer im Wesentlichen bereits gewünschte Endform (bzw. eine vor der Verformung vorliegende Form) aufweisenden Komponente oder Teilkomponente erfolgt, wobei aber die Aneinanderreihung von Verfahrensschritten wie Ur- und anschließend Umformen oder die Aneinanderfügung unterschiedlicher, entsprechender Werkstücke, beispielsweise durch Verschweißen oder Verpressen, nicht ausgeschlossen ist. Insbesondere wird ein nichtadditives Fertigungsverfahren ohne Schmelz- oder Pulverauftrag in mehreren Schichten durchgeführt.
Beispielsweise kann im Zuge des vorgeschlagenen Verfahrens eine gesamte, das Bauteil definierende Wandung einstückig hergestellt werden. Ebenso können beispielsweise auch einzelne Teilwände separat hergestellt werden, z.B. mittels derartiger Fertigungsverfahren wie Urformen oder Umformen, und zu der Gesamtwandung des Bauteils vereint werden, z.B. mittels eines Fügeverfahrens, etwa eines Schweißverfahrens.
Insbesondere kann die Wandstärke der Grundstruktur als eine möglichst geringe, insbesondere minimale Wandstärke vorgegeben werden, welche zweckmäßigerweise für eine geringe auf das Bauteil wirkende Belastung ausgelegt ist bzw. welche die Grundstruktur mindestens benötigt, um den wirkenden Belastungen standhalten zu können. Die Grundstruktur wird dann gezielt an Stellen mit höheren Belastungen durch die Verstärkungsstruktur verstärkt, so dass das Bauteil auch an diesen Stellen den dort wirkenden, höheren Belastungen standhalten kann. Die Verstärkungsstruktur kann somit gezielt an besonders beanspruchten Positionen des Bauteils aufgebracht werden und das Bauteil kann individuell an den vorliegenden Lastfall angepasst werden. Wie erwähnt, dient die Ausgleichsstruktur insbesondere nur zum Ausgleich von Verformungen, stellt jedoch nicht notwendigerweise eine Festigungswirkung bereit.
Mit anderen Worten können in Ausgestaltungen der Erfindung mehrere Ergänzungsstrukturen mittels der additiven Fertigung auf die Grundstruktur aufgebracht werden, wobei die mehreren Ergänzungsstrukturen eine oder mehrere Verstärkungsstrukturen und eine oder mehrere Ausgleichsstrukturen umfassen, wobei, wie erwähnt, die Verstärkungsstrukturen insbesondere eine Stabilität des Bauteils an einer oder mehreren Stellen erhöhende Ergänzungsstrukturen und die Ausgleichsstrukturen insbesondere nicht notwendigerweise eine stabilitätserhöhende aber eine Wunschverformung bewirkende Ergänzungsstrukturen darstellen. Die Verstärkungsstrukturen werden daher auf Grundlage einer Vorgabefestigkeit des Bauteils aufgebracht und die Ausgleichsstrukturen werden auf Grundlage einer Verformungsprognose aufbebracht. Allgemeiner wird in diesem Zusammenhang auch von „ersten“ und „zweiten“ Ergänzungsstrukturen gesprochen.
Das additive Fertigungsverfahren ermöglicht es, die Verstärkungsstruktur bzw. eine erste Ergänzungsstruktur und die Ausgleichsstruktur bzw. eine zweite Ergänzungsstruktur punktgenau aufzubringen und somit präzise lokale Verstärkungen der Grundstruktur und Beeinflussungen in der Verformung zu erzeugen. Additive Fertigung ist ein Herstellungsverfahren, bei dem ein dreidimensionales Objekt bzw. eine dreidimensionale Struktur durch konsekutives Hinzufügen eines Werkstoffs Schicht für Schicht erzeugt wird. Dabei wird nacheinander eine neue Werkstoffschicht aufgetragen, verfestigt und fest mit den darunterliegenden Schichten verbunden, z.B. mit Hilfe eines Lasers, Elektronenstrahls oder Lichtbogens.
Die Bereiche bzw. Stellen, an welchen auf die Grundstruktur die Verstärkungsstruktur oder erste Ergänzungsstruktur bzw. die Ausgleichsstruktur oder zweite Ergänzungsstruktur aufgetragen werden sollen, können im Rahmen des vorliegenden Verfahrens mittels des Optimierungsverfahrens bzw. eines entsprechenden Optimierungsalgorithmus bestimmt bzw. identifiziert bzw. lokalisiert werden. Als Optimierungsverfahren bzw. Optimierung sind im Allgemeinen analytische oder numerische Berechnungsverfahren zu verstehen, um optimierte, insbesondere minimierte oder maximierte Parameter eines komplexen Systems zu finden.
In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann die Verformung unter Verwendung eines Prognostizierverfahrens unter Erhalt von Prognosedaten prognostiziert und ein Materialauftrag bei der additiven Fertigung auf Grundlage der Prognosedaten vorgenommen werden. Die Erfindung erlaubt in einer derartigen Ausgestaltung einen besonders zielgerichteten, präzisen Materialauftrag. Das Prognostizierverfahren kann insbesondere die Verwendung einer Finite-Elemente- Methode und/oder eines Optimierungsalgorithmus umfassen. Entsprechende Verfahren können auch zur Ermittlung des für die Verstärkungsstruktur erforderlichen Materialauftrags durchgeführt werden.
In einem Optimierungsproblem könne insbesondere ein Lösungsraum Q , also eine Menge von möglichen Lösungen bzw. Variablen x sowie eine Zielfunktion f vorgegeben werden. Zur Lösung dieses Optimierungsproblem wird ein Satz von Werten der Variablen bzw. Lösungen x e Q gesucht, so dass f(x) ein vorgegebenes Kriterium erfüllt, beispielsweise maximal oder minimal wird. Ferner können auch Rand- bzw. Nebenbedingungen vorgegeben werden, wobei zulässige Lösungen x diese vorgegebenen Randbedingungen erfüllen müssen. Im vorliegenden Fall kann zur Lösung des Optimierungsproblems beispielsweise eine Zielfunktion derart definiert werden, dass die Gesamtwandstärke des Bauteils möglichst minimiert wird.
Besonders zweckmäßig kann das Optimierungsverfahren in Abhängigkeit von einer numerischen Lösung, insbesondere unter Einsatz der erwähnten Finite-Elemente- Methode durchgeführt. Die Finite-Elemente-Methode ist ein numerisches Verfahren, welches auf dem numerischen Lösen eines komplexen Systems aus partiellen Differentialgleichungen basiert. Die Grundstruktur bzw. ein anderes Bauteil wird dabei in endlich viele Teilgebiete einfacher Form aufgeteilt, sprich in finite Elemente, deren physikalisches bzw. thermo-hydraulisches Verhalten aufgrund ihrer einfachen Geometrie berechnet werden kann. In jedem der finiten Elemente werden die partiellen Differentialgleichungen durch einfache Differentialgleichungen oder durch algebraische Gleichungen ersetzt. Das somit erhaltene System aus Gleichungen wird gelöst, um eine Näherungslösung der partiellen Differentialgleichungen zu erhalten. Das physikalische Verhalten des Gesamtkörpers wird beim Übergang von einem Element in das benachbarte Element durch vorbestimmte Stetigkeitsbedingungen nachgebildet. Eine derartige Finite-Elemente-Methode bietet sich besonders vorteilhaft zur Durchführung eines Optimierungsverfahrens an. Beispielsweise kann im Rahmen des vorliegenden Verfahrens für einzelne finite Elemente jeweils untersucht werden, ob diese jeweils als Teil der Grund- bzw. Stützstruktur mit einem entsprechenden Werkstoff befüllt werden sollen. Vorteilhafterweise wird das Optimierungsverfahren in Abhängigkeit von einer Simulation der Grundstruktur und der additiven Fertigung durchgeführt, insbesondere von einer numerischen Simulation. Insbesondere kann eine statische oder dynamische Simulation durchgeführt werden, beispielsweise eine thermo-mechanische Festigkeitssimulation. Mit Hilfe der Simulation kann das Bauteil bzw. die gesamte technische Vorrichtung mitsamt dem Bauteil theoretisch nachgebildet werden. Das Verhalten des Bauteils während der additiven Fertigung sowie die auf das Bauteil wirkenden Spannungen, Lasten usw. können simuliert werden. Insbesondere können Mengen und Positionen des als Ausgleichsstruktur aufgebrachten Materials im Zuge der Simulation verändert werden, um das Verhalten des Bauteils unter unterschiedlichen Bedingungen zu untersuchen. Somit kann das Bauteil im Rahmen des Optimierungsverfahrens in eine Vielzahl einzelner Bereiche eingeteilt werden und für diese Bereiche kann individuell bestimmt werden, ob in diesen Bereichen jeweils Material mittels additiver Fertigung aufgetragen werden soll.
Das vorliegende Verfahren stellt eine vorteilhafte Möglichkeit bereit, um ein teilweise additiv gefertigtes Bauteil zu erzeugen. Die Grundstruktur kann kostengünstig und materialsparend nichtadditiv gefertigt werden. Der Einsatz des additiven Fertigungsverfahrens kann reduziert werden, so dass auch hier Kosten und Material gespart werden können. Das Bauteil kann kostengünstig, materialsparend und gewichtsreduziert gefertigt werden und optimal an den späteren Anwendungsfall und dessen Einsatzgebiet angepasst werden. Durch das Aufträgen der Ausgleichsstruktur kann insbesondere auf anschließende Nachbearbeitungen zum Erreichen einer Zielform und zur Rückumformung verzichtet werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung können die Verstärkungsstruktur oder zumindest eine der mehreren Verstärkungsstrukturen und die Ausgleichsstruktur oder zumindest eine der mehreren Ausgleichsstrukturen oder, mit anderen Worten, die erste(n) Ergänzungsstruktur(en) und die zweite(n) Ergänzungsstruktur(en), mittels der additiven Fertigung zeitgleich oder zeitversetzt aufgetragen werden. Insbesondere bei einer zeitversetzten Aufbringung kann nach dem Aufträgen der Verstärkungsstruktur oder zumindest einer der mehreren Verstärkungsstrukturen, also der ersten Ergänzungsstruktur(en), die Verformung bestimmt und das Aufträgen der Ausgleichsstruktur oder zumindest eine der mehreren Ausgleichsstrukturen, also der zweiten Ergänzungsstruktur(en) in Abhängigkeit hiervon durchgeführt werden. Dies ermöglicht es, präzise auf die jeweils tatsächlich auftretenden Verformungen zu reagieren.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird bzw. werden die Ergänzungsstruktur(en) mittels Lichtbogendrahtauftragschweißen (engl.: Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM) auf die Grundstruktur aufgebracht. Im Zuge dieses Verfahrens werden einzelne Schichten mit Hilfe eines abschmelzenden Drahtes und eines Lichtbogens erzeugt. Zu diesem Zweck können Schweißbrenner, beispielsweise zum Metallschutzgasschweißen, verwendet werden, wobei zwischen dem Schweißbrenner und dem herzustellenden Bauteil ein Lichtbogen brennt. Ein entsprechender Werkstoff wird z.B. in Form eines Drahtes oder Bandes kontinuierlich nachgeführt und durch den Lichtbogen aufgeschmolzen. Dabei bilden sich schmelzflüssige Tropfen, welche auf das herzustellende Werkstück übergehen und fest mit diesem verbunden werden. Der jeweilige Werkstoff kann dabei beispielsweise als eine abschmelzende Drahtelektrode des Schweißbrenners zugeführt werden, wobei der Lichtbogen zwischen dieser Drahtelektrode und dem Bauteil brennt. Ebenso ist es denkbar, den jeweiligen Werkstoff in Form eines zusätzlichen Drahtes zuzuführen, welcher von dem Lichtbogen des Schweißbrenners aufgeschmolzen wird.
Alternativ oder zusätzlich können weitere additive Fertigungsverfahren verwendet werden, im Zuge derer der jeweilige Werkstoff der Stützstruktur bzw. des Zusatzvolumens beispielsweise in Pulverform oder in Form von Drähten oder Bändern aufgebracht und mit einem Laser- und/oder Elektronenstrahl beaufschlagt wird. Der jeweilige Werkstoff kann auf diese Weise beispielsweise einem Sinter- oder Schmelzprozess unterzogen werden, um verfestigt zu werden. Nach Erzeugen einer Schicht kann die nächste Schicht auf analoge Weise erzeugt werden. Derartige additive Fertigungsverfahren sind beispielsweise selektives Lasersintern (engl.: Selective Laser Sintering, SLS), selektives Laserschmelzen (engl.: Selective Laser Melting, SLM), Elektronenstrahlschmelzen (engl.: Electron Beam Melting, EBM), Stereolithographie (SL) oder Schmelzschichtung (engl.: Fused Deposition Modeling, FDM, oder Fused Filament Fabrication, FFF).
Alternativ oder zusätzlich können auch additive Fertigungsverfahren verwendet werden, für welche kein Laserstrahl, Elektronenstrahl oder Lichtbogen verwendet wird. Vorzugsweise kann die Stützstruktur mittels Kaltspritzen bzw. Kaltgasspritzen (engl.: Cold Spray, CS) auf die Grundstruktur aufgebracht werden. Im Zuge dessen wird der jeweilige Werkstoff z.B. in Pulverform mit hoher Geschwindigkeit aufgebracht. Zu diesem Zweck kann beispielsweise ein auf wenige hundert Grad aufgeheiztes Prozessgas wie Stickstoff oder Helium z.B. durch Expansion auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt werden. Die Pulverpartikel des jeweiligen Werkstoffs können in den Gasstrahl injiziert werden, so dass diese auf hohe Geschwindigkeit beschleunigt werden und beim Aufprall auf die Grundstruktur eine fest haftende Schicht bilden.
In Ausgestaltungen der Erfindung können die Grundstruktur, die Verstärkungsstruktur und die Ausgleichsstruktur (oder ein Teil dieser Komponenten) aus demselben Werkstoff gefertigt werden, beispielsweise aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung. Ferner können die Grundstruktur, die Verstärkungsstruktur und die Ausgleichsstruktur (oder ein Teil zwei dieser Komponenten) auch aus unterschiedlichen Werkstoffen gefertigt werden. Die Werkstoffe für die Grundstruktur, die Verstärkungsstruktur und die Ausgleichsstruktur können jeweils beispielsweise basierend auf ihren spezifischen Werkstoffeigenschaften und/oder basierend auf spezifischen Anforderungen an das Bauteil bzw. basierend auf den spezifischen auf das Bauteil wirkenden Belastungen und Verformungen desselben gewählt werden.
In Ausgestaltungen der Erfindung können die Grundstruktur, die Verstärkungsstruktur und die Ausgleichsstruktur (oder ein Teil dieser Komponenten) aus artähnlichen oder artunähnlichen Werkstoffen gefertigt, insbesondere aus Aluminiumwerkstoffen bzw. Aluminiumlegierungen. Unter "artähnlichen" bzw. "artgleichen" Werkstoffen seien insbesondere solche Werkstoffe zu verstehen, die ein gleiches oder vergleichbares Gefüge und/oder eine gleiche oder vergleichbare Wärmedehnung aufweisen, was dagegen bei "artunähnlichen" bzw. "artungleichen" Materialen nicht der Fall ist. Artähnliche sind beispielsweise unterschiedliche Kohlenstoffstähle. Artunähnlich sind beispielsweise Kohlenstoffstahl und Edelstahl aufgrund der unterschiedlichen Werkstoffstruktur (Gefüge und Wärmedehnung). Unter artähnlichen Werkstoffen können auch verschiedene Aluminiumlegierungen verstanden werden, die aufgrund der Vielfalt der möglichen Legierungen zu großen Unterschieden in mechanischen und thermischen Kennwerten führen. Artunähnlich kann z.B. die Verbindung eines Aluminiumwerkstoffes mit einem (Edel-)Stahlwerkstoff sein, die sich im landläufigen Verständnis "nicht vertragen". Zweckmäßigerweise können somit gezielt artgleiche oder artungleiche Werkstoffe mit anderen Eigenschaften zum Aufbau der Grundstruktur, der Verstärkungsstruktur und der Ausgleichsstruktur (oder zwei dieser Komponenten) verwendet werden. Insbesondere kann ein Werkstoff der Ergänzungsstruktur, insbesondere der Ausgleichsstruktur, ein Material mit bekannten oder besonders vorteilhaften Verformungseigenschaften sein.
In Ausgestaltungen der Erfindung ist das Bauteil ein Bauteil eines verfahrenstechnischen Apparats, eines Druckbehälters oder ein Leichtbauteil eines Land- oder Luftfahrzeugs. Die vorliegende Erfindung eignet sich für eine Vielzahl verschiedener Anwendungsbereiche und zur Herstellung von Bauteilen für verschiedene technische Vorrichtungen der Verfahrens-, Regelungs- und/oder Steuerungstechnik. Als technische Vorrichtung sei in dem vorliegenden Zusammenhang insbesondere eine Einheit oder ein System verschiedener Einheiten zu verstehen zum Ausführen eines technischen Prozesses, insbesondere eines verfahrens-, regelungs- und/oder steuerungstechnischen Prozesses. Die technische Vorrichtung kann vorteilhafterweise als eine Maschine ausgebildet sein, also insbesondere als eine Vorrichtung zur Energie- bzw. Kraftumsetzung, und/oder als ein Apparat, also insbesondere eine Vorrichtung zur Stoff- bzw. Materieumsetzung. Ferner kann die technische Vorrichtung auch insbesondere als eine Anlage ausgebildet sein, also insbesondere als ein System aus einer Vielzahl von Komponenten, die jeweils beispielsweise Maschinen und/oder Apparate sein können.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Bauteil ein fluiddurchströmtes bzw. fluiddurchströmbares Bauteil für eine verfahrenstechnische Vorrichtung. Vorzugsweise ist das Bauteil ein Bauteil für einen Druckbehälter oder selbst ein Druckbehälter. Ein derartiger Druckbehälter kann insbesondere zum Lagern eines Stoffes unter positivem oder negativem Innen- oder Außendruck vorgesehen sein. Druckbehälter können dabei hohen Druckwechselbelastungen ausgesetzt sein.
Wenngleich eingangs auf verfahrenstechnische Vorrichtung wie Wärmetauscher und Druckbehälter Bezug genommen wurde, sind Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind nicht zur Verwendung in entsprechenden technischen Bereichen beschränkt, sondern grundsätzlich bei der Fertigung anderer Bauteile, insbesondere von Strukturbauteilen, beispielsweise im Apparate- und Behälterbau, aber auch in anderen Bereichen, in denen auf additive Fertigung zurückgegriffen wird, anwendbar z.B. für den Leichtbau im Flugzeug- oder Fahrzeugbau.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Bauteil ein Header mit Stutzen eines Rippen-Platten-Wärmetauschers (engL: Plate Fin Heat Exchanger, PFHE), beispielsweise eines gelöteten Rippen-Plattenwärmetauscher aus Aluminium (Brazed Aluminium Plate-Fin Heat Exchangers, PFHE; Bezeichnungen gemäß der deutschen und englischen Ausgabe der ISO 15547-2:3005). Derartige Plattenwärmetauscher weisen eine Vielzahl von stapelförmig angeordneten Trennplatten und Lamellen auf, sowie Deckplatten, Randleisten bzw. Sidebars, Verteiler bzw. Header. Ferner sind Rohrstücke bzw. Rohrleitungen zum Zu- und Abführen einzelner Medien vorgesehen. Derartige Elemente können im Betrieb des Wärmetauschers hohen Belastungen ausgesetzt sein, z.B. hohen Temperaturen bzw. Temperaturdifferenzen sowie hohen Drücken und mechanischen Spannungen, und eignen sich daher besonders gemäß dem vorliegenden Verfahren hergestellt zu werden.
Die Grundform kann insbesondere eine nicht komplexe, einfach herstellbare Form sein, die insbesondere aus einer Zylinderform, einer Kugelform, einer Halbkugelform, einer Kalottenform, einer Plattenform und Teilformen hiervon ausgewählt ist. Durch die kombinierte Fertigung ist die Herstellung besonders einfach. Die Grundform kann insbesondere auch aus einem Rund- oder Vieleckrohr oder einem Vollprofil ausgewählt sein, die sich durch einen entsprechenden Materialauftrag gezielt verformen lässt.
Ein Bauteil für eine technische Vorrichtung, das eine Grundstruktur und eine oder mehrere Ergänzungsstrukturen aufweist, wobei die Grundstruktur nichtadditiv gefertigt ist und die eine oder mehreren Ergänzungsstrukturen mittels additiver Fertigung auf die Grundstruktur aufgebracht sind und die Grundstruktur bei der additiven Fertigung einer Verformung unterworfen wurde, ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Die Grundstruktur wurde mit einer Ausgangsform bereitgestellt, die derart gewählt wurde, dass die Verformung zu einer gewünschten Zielform der Grundstruktur geführt hat. Die Ergänzungsstrukturen umfassen eine oder mehrere Verstärkungsstrukturen und eine oder mehrere Ausgleichsstrukturen.
Die vorliegende Erfindung betrifft neben dem Verfahren zum Herstellen eines Bauteils damit auch weiterhin ein Bauteil für eine technische Vorrichtung, das insbesondere gemäß dem vorliegenden Verfahren hergestellt ist. Ausgestaltungen dieses erfindungsgemäßen Bauteils ergeben sich aus der obigen Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens in analoger Art und Weise.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Figurenbeschreibung
Figur 1 zeigt einen Wärmetauscher in vereinfachter isometrischer Darstellung.
Figuren 2A bis 2C veranschaulichen Aspekte der vorliegenden Erfindung.
In den Figuren sind einander baulich und/oder funktional entsprechende Komponenten mit identischen Bezugszeichen angegeben und werden lediglich der Übersichtlichkeit halber nicht wiederholt erläutert. Erläuterungen betreffend Verfahrensschritte betreffen Vorrichtungsmerkmale in gleicher Weise und umgekehrt.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
In Figur 1 ist ein Wärmetauscher schematisch dargestellt und mit 100 bezeichnet. Der Wärmetauscher stellt eine technische bzw. verfahrenstechnische Vorrichtung dar, wobei einzelne insbesondere fluiddurchströmte Elemente bzw. Bauteile des Wärmetauschers 100, insbesondere dessen Header 7 und Stutzen 6, in besonders vorteilhafterweise gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gefertigt sind. Der in Figur 1 gezeigte Wärmetauscher 100 ist ein (hart-)gelöteter Rippen-Platten- Wärmetauscher aus Aluminium ("Brazed Aluminium Plate-Fin Heat Exchanger", PFHE; Bezeichnungen gemäß der deutschen und englischen Ausgabe der ISO 15547- 2:3005), wie er in einer Vielzahl von Anlagen bei unterschiedlichsten Drücken und Temperaturen eingesetzt werden kann. Entsprechende Wärmetauscher finden beispielsweise Anwendung bei der Tieftemperaturzerlegung von Luft, bei der Verflüssigung von Erdgas oder in Anlagen zur Herstellung von Ethylen. Es versteht sich, dass "Aluminium" dabei auch eine Aluminiumlegierung bezeichnen kann.
Gelötete Rippen-Platten-Wärmetauscher aus Aluminium sind in Figur 2 der erwähnten ISO 15547-2:3005 sowie auf Seite 5 der Veröffentlichung "The Standards of the Brazed Aluminium Plate-Fin Heat Exchanger Manufacturers' Association" der ALPEMA, 3. Auflage 2010, gezeigt und beschrieben. Die vorliegende Figur 1 entspricht im Wesentlichen den Abbildungen der besagten ISO-Norm und soll im Folgenden erläutert werden, um den Hintergrund der Erfindung zu erläutern.
Der in Figur 1 teilweise eröffnet dargestellte Plattenwärmetauscher 100 dient dem Wärmeaustausch von im dargestellten Beispiel fünf verschiedenen Prozessmedien A bis E. Zum Wärmeaustausch zwischen den Prozessmedien A bis E umfasst der Plattenwärmetauscher 100 dabei eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Trennblechen 4 (in den zuvor genannten Veröffentlichungen, auf die sich auch die nachfolgenden Angaben in Klammern beziehen, im Englischen als Parting Sheets bezeichnet), zwischen denen durch Strukturbleche mit Lamellen 3 (Fins) definierte Wärmeaustauschpassagen 1 für jeweils eines der Prozessmedien A bis E, die dadurch in Wärmeaustausch miteinander treten können, ausgebildet sind.
Die Strukturbleche mit den Lamellen 3 sind typischerweise gefaltet bzw. gewellt ausgebildet, wobei durch die Faltungen bzw. Wellen jeweils Strömungskanäle gebildet werden, wie auch in Figur 1 der ISO 15547-2:3005 gezeigt. Die Bereitstellung der Strukturbleche mit Lamellen 3 bietet im Vergleich zu Plattenwärmetauschern ohne Lamellen den Vorteil einer verbesserten Wärmeübertragung, einer gezielteren Fluidführung und einer Erhöhung der mechanischen (Zug-)Festigkeit. In den Wärmeaustauschpassagen 1 strömen die Prozessmedien A bis E insbesondere durch die Trennbleche 4 getrennt voneinander, können ggf. aber im Fall von perforierten Strukturblechen mit Lamellen 3 durch letztere hindurchtreten. Die einzelnen Passagen 1 bzw. die Strukturbleche mit den Lamellen 3 sind seitlich jeweils durch sogenannte Sidebars 8 umgeben, die jedoch Einspeise- und Entnahmeöffnungen 9 freilassen. Die Sidebars 8 halten die Trennbleche 4 auf Abstand und sorgen für eine mechanische Verstärkung des Druckraumes. Zum Abschluss an zumindest zwei Seiten dienen insbesondere verstärkt ausgebildete Deckbleche 5 (Cap Sheets), die parallel zu den Trennblechen 4 angeordnet sind.
Mittels sogenannter Header 7, die mit Stutzen 6 (Nozzles) versehen sind, werden die Prozessmedien A bis E über Einspeise- und Entnahmeöffnungen 9 zu- und abgeführt. Im Eingangsbereich der Passagen 1 befinden sich weitere Strukturbleche mit sogenannten Verteilerlamellen 2 (Distributor Fins) , die für eine gleichmäßige Verteilung auf die gesamte Breite der Passagen 1 sorgen. In Strömungsrichtung gesehen am Ende der Passage 1 können sich weitere Strukturbleche mit Verteilerlamellen 2 befinden, die die Prozessmedien A bis E aus den Passagen 1 in die Header 7 führen, wo sie gesammelt und über die entsprechenden Stutzen 6 abgezogen werden.
Durch die Strukturbleche mit den Lamellen 3, die weiteren Strukturbleche mit den Verteilerlamellen 2, die Sidebars 8, die Trennbleche 4 und die Deckbleche 5 wird insgesamt ein hier quaderförmiger Wärmetauscherblock 20 gebildet, wobei unter einem "Wärmetauscherblock" hier die genannten Elemente ohne die Header 7 und Stutzen 6 in einem miteinander verbundenem Zustand verstanden werden sollen. Wie in Figur 1 nicht veranschaulicht, kann der Plattenwärmetauscher 100 insbesondere aus Fertigungsgründen aus mehreren entsprechenden quaderförmigen und miteinander verbundenen Wärmetauscherblöcken 20 ausgebildet sein.
Entsprechende Plattenwärmetauscher 100 werden aus Aluminium hartgelötet. Die einzelnen Passagen 1 , umfassend die Strukturbleche mit den Lamellen 3, die weiteren Strukturbleche mit den Verteilerlamellen 2, die Deckbleche 5 und die Sidebars 8 werden dabei, jeweils mit Lot versehen, aufeinandergestapelt bzw. entsprechend angeordnet und in einem Ofen erwärmt. Auf den in dieser Weise hergestellten Wärmetauscherblock 20 werden die Header 7 und die Stutzen 6 aufgeschweißt.
Auf herkömmliche Weise werden die Header 7 beispielsweise unter Verwendung von halbzylindrischen Strangpressprofilen hergestellt, die auf die erforderliche Länge gebracht und dann auf den Wärmetauscherblock 20 aufgeschweißt werden. Dabei werden die Header 7 oftmals mit einer konstanten Wandstärke gefertigt, wobei sich diese Wandstärke an der Position der höchsten Auslastung orientiert.
Im Gegensatz dazu ermöglicht es das vorliegende Verfahren, beispielsweise Header 7 mit Stutzen 6 kostengünstig und materialsparend herzustellen, insbesondere mit einer variierenden Wandstärke, welche gezielt auf den individuell vorliegenden Lastfall angepasst ist. Dies erfolgt durch eine teilweise additive Fertigung, wobei Verformungen besonders vorteilhaft ausgeglichen werden wie nachfolgend erläutert.
Figuren 2A bis 2C veranschaulichen Aspekte der vorliegenden Erfindung, wobei hier jeweils ein wie oben mit 7 bezeichneter Header mit Stutzen 6 veranschaulicht ist. Der Header ist zumindest in einem Abschnitt in Form eines halbrunden Rohrs ausgebildet. Dieser Abschnitt kann insbesondere mit einer konstanten Wandstärke und durchgehend aus demselben Werkstoff hergestellt sein.
Ein Rohrstück, das den Stutzen 6 bildet, ist im hier verwendeten Sprachgebrauch eine Grundstruktur, die gemäß Ausgestaltungen der Erfindung, wie erwähnt, aber auch ein anderes Bauteil sein muss. Auf die Grundstruktur, also im vorliegenden Beispiel den Header 6, werden dabei mittels eines additiven Fertigungsverfahren Ergänzungsstrukturen in Form von Verstärkungsstrukturen 6.1 aufgebracht. Wie ferner veranschaulicht, ist auch der Header 7 selbst mit entsprechenden Verstärkungsstrukturen 7.1 versehen, um diesen zu stabilisieren.
Die Figuren 2A und 2B veranschaulichen insbesondere unterschiedliche Stufen eines mehrstufigen Fertigungsverfahrens. Wie sich aus der Zusammenschau der Figuren 2A und 2B ergibt, werden dabei, im hier veranschaulichten Beispiel nach der Aufbringung der Verstärkungsstrukturen 6.1 , die eine Verformung bewirkt, weitere Ergänzungsstrukturen in Form von oben beschriebenen Ausgleichsstrukturen 6.2 aufgebracht, die ebenfalls eine Verformung bewirken. Art, Ort und Material der Ausgleichsstrukturen 6.2 sind dabei so gewählt, dass durch deren Aufbringung die durch die Aufbringung der Verstärkungsstrukturen 6.1 bewirkte Verformung ausgeglichen und eine Zielform erreicht wird. Wie aus den Figuren 2B und 2C, wiederum in der Zusammenschau, ersichtlich, können Ausgleichsstrukturen 6.2 mittels der additiven Fertigung am äußeren Umfang der Grundstruktur, d.h. des Stutzens 6, und in deren bzw. dessen Innerem, hier mit 6.3 bezeichnet, bereitgestellt werden. Die Figur 2C stellt dabei eine Ansicht von oben auf bzw. in den Stutzen 6 hinein, dar.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Herstellen eines Bauteils für eine technische Vorrichtung (100), das eine Grundstruktur (6) und eine oder mehrere Ergänzungsstrukturen (6.1-6.3) aufweist, wobei die Grundstruktur (6) nichtadditiv gefertigt ist oder wird, die eine oder die mehreren Ergänzungsstrukturen (6.1-6.3) mittels additiver Fertigung auf die Grundstruktur (6) aufgebracht wird oder werden, und die Grundstruktur (6) bei der additiven Fertigung einer Verformung unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundstruktur (6) mit einer Ausgangsform bereitgestellt wird, die derart gewählt ist, dass die Verformung zu einer gewünschten Zielform der Grundstruktur (6) führt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem ein Materialauftrag bei dem die Verformung unter Verwendung eines Prognostizierverfahrens unter Erhalt von Prognosedaten prognostiziert und ein Materialauftrag bei der additiven Fertigung auf Grundlage der Prognosedaten vorgenommen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Prognostizierverfahren die Verwendung einer Finite-Elemente-Methode und/oder eines Optimierungsalgorithmus umfasst.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, bei dem eine oder mehrere Orte und/oder eine oder mehrere Mengen des Materialauftrags auf Grundlage der Prognosedaten ermittelt werden.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem mehrere Ergänzungsstrukturen (6.1-6.3) mittels der additiven Fertigung auf die Grundstruktur (6) aufgebracht werden, wobei die Ergänzungsstrukturen (6.1-6.3) eine oder mehrere erste Ergänzungsstrukturen (6.1) und eine oder mehrere zweite Ergänzungsstrukturen (6.2, 6.3) umfassen.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die erste Ergänzungsstruktur (6.1) oder zumindest eine der mehreren ersten Ergänzungsstrukturen (6.1) und die zweite Ergänzungsstruktur (6.2, 6.3) oder zumindest eine der mehreren zweiten Ergänzungsstrukturen (6.2, 6.3) mittels der additiven Fertigung zeitgleich oder zeitversetzt aufgetragen werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem nach dem Aufträgen der ersten Ergänzungsstruktur (6.1) oder zumindest einer der mehreren ersten Ergänzungsstrukturen (6.1) die Verformung bestimmt und das Aufträgen der zweiten Ergänzungsstruktur (6.2, 6.3) oder zumindest eine der mehreren zweiten Ergänzungsstrukturen (6.2, 6.3) in Abhängigkeit hiervon durchgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Bauteil ein Bauteil eines verfahrenstechnischen Apparats, eines Druckbehälters oder ein Leichtbauteil eines Land- oder Luftfahrzeugs ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das Bauteil ein an einem Header (7) angebrachter Stutzen (6) eines Rippen-Platten-Wärmetauschers (100) ist.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Grundform aus einer Zylinderform, einer Kugelform, einer Halbkugelform, einer Kalottenform, einer Plattenform und Teilformen hiervon ausgewählt ist.
11 . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Grundform aus einem Rund- oder Vieleckrohr oder einem Vollprofil ausgewählt ist.
12. Bauteil für eine technische Vorrichtung, das eine Grundstruktur (6) und eine oder mehrere Ergänzungsstrukturen (6.1-6.3) aufweist, wobei die Grundstruktur (6) nichtadditiv gefertigt ist, die eine oder die mehreren Ergänzungsstrukturen (6.1- 6.3) mittels additiver Fertigung auf die Grundstruktur (6) aufgebracht ist oder sind, und die Grundstruktur (6) bei der additiven Fertigung einer Verformung unterworfen wurde, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundstruktur (6) mit einer Ausgangsform bereitgestellt wurde, die derart gewählt wurde, dass die Verformung zu einer gewünschten Zielform der Grundstruktur (6) geführt hat.
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